陳 晨， 朱 穎， 翟梁皓， 潘棟彬， 靳成才

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026； 2.自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點實驗室，吉林 長春 130026)

0 引言

能源利用情況嚴(yán)重制約著經(jīng)濟建設(shè)與發(fā)展，常規(guī)油氣資源已無法滿足人們對能源資源的需求。面對能源危機，低滲透、致密等非常規(guī)油氣資源由于其儲量豐富，分布廣泛[1]，已成為主要接替能源。油頁巖是一種富含可燃有機質(zhì)的高灰分有機礦物，“全球油頁巖資源評價”工作顯示，將我國1000 m內(nèi)的油頁巖礦藏折算成油頁巖油，其值約為476.44億t[2-3]。作為一種具有極低滲透性與傳熱系數(shù)的非常規(guī)油氣資源，油頁巖的原位開采要求利用壓裂技術(shù)人為制造便于油氣溝通的流通通道。

自1947年以來，水力壓裂技術(shù)廣泛應(yīng)用于油氣藏開采增產(chǎn)中，但由于破膠、返排的不徹底以及常規(guī)水基壓裂液中的大量添加劑，對地層傷害較大[4]。同時，美國、加拿大等地區(qū)經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水力壓裂施工存在誘發(fā)頻發(fā)地震的危害，我國近一年來的松原地區(qū)頻發(fā)地震現(xiàn)象亦存在受水力壓裂開采油氣資源影響的跡象。加拿大阿爾伯塔省地質(zhì)調(diào)查局和阿爾伯塔大學(xué)通過對自2013年以來該省Duvernay地區(qū)約300口油氣開發(fā)井與其引發(fā)的數(shù)百次地震的分析研究，發(fā)現(xiàn)了水力壓裂法與誘發(fā)地震間的聯(lián)系。目前，在紐約、美國多州等地區(qū)禁止了該技術(shù)的使用。

基于減少地層損害、降低環(huán)境風(fēng)險的目的，二氧化碳壓裂技術(shù)、LPG壓裂技術(shù)等無水壓裂技術(shù)逐步成為研究焦點。其中，一種利用超臨界流體特殊性質(zhì)的壓裂技術(shù)——超臨界二氧化碳(SC-CO2)壓裂技術(shù)，逐漸成為了二氧化碳干法壓裂技術(shù)的主要發(fā)展趨向[4]。超臨界二氧化碳無水相，泵入地層不會產(chǎn)生水鎖效應(yīng)等地層傷害現(xiàn)象。返排時只需改變其溫度、壓力狀態(tài)，使其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，即可快速且無殘留地返排回地面[4-7]。因此，該壓裂技術(shù)對于減少壓裂施工對儲層的傷害、節(jié)約水資源、降低環(huán)境風(fēng)險均具有較好發(fā)展前景，利于油頁巖這種儲量巨大的低滲礦藏的開發(fā)。

1 超臨界二氧化碳壓裂技術(shù)

1.1 概念

超臨界二氧化碳壓裂技術(shù)是一種以超臨界態(tài)二氧化碳作為壓裂液的無水壓裂技術(shù)。當(dāng)二氧化碳溫度達(dá)到31.06 ℃，壓強達(dá)到7.39 MPa，將轉(zhuǎn)化為超臨界流體[4]。在達(dá)到臨界點后，流體被壓縮亦只表現(xiàn)出密度的變化，不會產(chǎn)生相態(tài)變化，如圖1所示[8-9]。超臨界二氧化碳在粘度、密度及擴散系數(shù)上具有超臨界流體共有的特殊性質(zhì)，如表1所示[8]。對于絕大多數(shù)壓裂施工而言，施工條件天然滿足SC-CO2的溫度要求，但其低粘的特性，要求施工中進(jìn)行大排量壓裂。

圖1 二氧化碳相圖

流體類型密度/(g·cm-3)粘度/(mPa·s)擴散系數(shù)/(cm2·s-1)常溫常壓氣體(0.6～2)×10-3(1～3)×10-20.1～0.4超臨界流體 0.2～0.9(1～9)×10-2(2～7)×10-4常溫常壓液體0.6～1.60.2～3(0.2～3)×10-5

1.2 技術(shù)特點分析

與水力壓裂技術(shù)相比，SC-CO2壓裂技術(shù)在降低地層傷害、提高縫網(wǎng)復(fù)雜度、置換吸附態(tài)可燃?xì)怏w等方面具有顯著的優(yōu)越性，主要具有以下優(yōu)點[5,7,10-13]：(1)化學(xué)穩(wěn)定性高，不易燃易爆，無腐蝕性；(2)達(dá)超臨界態(tài)的臨界溫度與臨界壓力在一般性的非常規(guī)油氣藏開采中較易達(dá)成，具有一定的可行性；(3)具有高密度、低粘度、高擴散系數(shù)和低表面張力，一方面壓裂液更易于溝通微裂縫、形成大量復(fù)雜微裂縫網(wǎng)絡(luò)，另一方面有利于流體流動、降低了壓裂液流動過程中的壓力損失；(4)具有無水相型壓裂液的共同優(yōu)勢，避免了由于粘土礦物遇水膨脹所導(dǎo)致的水鎖效應(yīng)等危害，避免了儲層受損；(5)壓裂后可轉(zhuǎn)化為氣態(tài)并隨油氣開采排出，返排迅速而徹底，對地層傷害低；(6)破巖門限壓力遠(yuǎn)小于水，降低了壓裂難度；(7)溶解能力強，有效緩解近井地帶的油層堵塞現(xiàn)象，增強油氣通道的滲流能力；(8)特別的，CO2的置換作用有利于提高甲烷等氣體的開采量，并達(dá)到CO2地質(zhì)封存的目的，永久性封存CO2。

同時，SC-CO2壓裂中也存在一定的缺陷[10-15]。

(1)粘度低，不利于支撐劑的攜帶且其高濾失性要求大排量泵入壓裂液。

(2)穿透性強，對壓裂設(shè)備的密封性和防穿刺性能要求高，需要研制新型設(shè)備。

(3)在井筒內(nèi)的流動過程中，二氧化碳達(dá)到超臨界態(tài)，一方面，流動過程中所產(chǎn)生相態(tài)變化要求加強控制； 另一方面，在淺井施工中需安裝地面加熱設(shè)備，滿足井筒內(nèi)形成超臨界態(tài)的溫度要求。

(4)存儲與運輸成本高。

2 國內(nèi)外超臨界二氧化碳壓裂技術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來，有關(guān)超臨界二氧化碳壓裂技術(shù)的相關(guān)研究有跳躍式增加的趨勢，相關(guān)的實驗研究主要可分為3大方向：(1)SC-CO2壓裂巖樣所形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)及其形成規(guī)律性的相關(guān)實驗研究；(2)SC-CO2流體性質(zhì)對巖樣本身物理力學(xué)性質(zhì)影響的相關(guān)實驗研究；(3)壓裂液添加劑以其壓裂效果的相關(guān)實驗研究。除此之外，存在大量的有關(guān)SC-CO2流動、攜砂流動以及溫度場等數(shù)學(xué)模型的相關(guān)研究。

2.1 超臨界二氧化碳壓裂技術(shù)裂縫規(guī)律性的相關(guān)實驗研究

2010年，Verton等[16]利用二氧化碳和水基壓裂液同時進(jìn)行壓裂實驗，發(fā)現(xiàn)二氧化碳壓裂能達(dá)到與水力壓裂相同的效果。2012年，Ishida等[17]進(jìn)行了超臨界二氧化碳壓裂和液態(tài)二氧化碳壓裂實驗，并與水力壓裂實驗進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳與液態(tài)二氧化碳所需的破巖壓力均低于水力壓裂。2015年，Middleton等[18]提出了利用超臨界二氧化碳進(jìn)行無水壓裂的方法，研究發(fā)現(xiàn)SC-CO2壓裂技術(shù)有效加強了壓裂效果和裂縫延伸情況，不僅降低了流體產(chǎn)生的阻斷機制，而且提高了部分頁巖中部分甲烷氣體的解吸現(xiàn)象。2016年，Zhang X等[19]設(shè)計并實施了超臨界二氧化碳壓裂實驗，利用聲發(fā)射技術(shù)與CT掃描技術(shù)研究了頁巖中裂縫起裂及擴展規(guī)律。2018年，Zhao Z等[20]針對不同地應(yīng)力差對超臨界二氧化碳壓裂的破裂壓力、主裂縫形態(tài)、次裂縫等裂縫要素的影響，判定這些裂縫的曲折度與表面狀況。

對比這些文獻(xiàn)中記錄的水力壓裂與SC-CO2壓裂對比試驗，我們可以發(fā)現(xiàn)：壓裂液的變化會直接影響到起裂壓力，但是對于不同的巖樣，所產(chǎn)生的變化幅度不同。在Zhang X等[19]的頁巖壓裂實驗研究中發(fā)現(xiàn)：SC-CO2壓裂的起裂壓力比水力壓裂低50%左右，比純液態(tài)二氧化碳壓裂低15%左右。在趙志恒等[13]的花崗巖壓裂實驗研究中發(fā)現(xiàn)：壓裂液從水變?yōu)镾C-CO2，凝灰?guī)r壓裂實驗中起裂壓力值從10.51 MPa變成了10.04 MPa，下降幅度約為4.5%；花崗巖壓裂實驗中起裂壓力值從11.84 MPa變成了9.56 MPa，下降幅度約為19.6%。從中，我們可以發(fā)現(xiàn)壓裂液從水變?yōu)镾C-CO2使巖石起裂壓力降低，但是變化幅度則與巖石本身性質(zhì)相關(guān)，SC-CO2與巖石之間發(fā)生的物理化學(xué)作用同樣會產(chǎn)生一定的影響。

2.2 超臨界二氧化碳影響巖石巖性的相關(guān)實驗研究

1996年，Shiraki[21]研究發(fā)現(xiàn)二氧化碳會輕微溶解砂巖中鐵白云石/白云巖和硅酸鋁礦物。2005年，Kaszuba等[22]對二氧化碳會輕微溶解砂巖中鐵白云石/白云巖和硅酸鋁礦物這種溶解現(xiàn)象所帶來的孔隙度與滲透率變化進(jìn)行了實驗。2008年，Busch等[23]研究發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳會溶解頁巖中的碳酸鹽礦物，從而改變其孔隙度、滲透率和擴散特性。2013年，Lahann等[24]測量了頁巖注入超臨界二氧化碳后的孔隙變化。2016年，陳鈺婷[25]設(shè)計了超臨界二氧化碳浸泡頁巖實驗，測得力學(xué)性質(zhì)、聲發(fā)射特征的變化，結(jié)合XRD、SEM測試所得的實驗前后巖石礦物組成與微觀結(jié)構(gòu)，分析了超臨界二氧化碳對頁巖力學(xué)性質(zhì)的作用機制。2017年，Ao X等[26]設(shè)計4組對照實驗，研究超臨界二氧化碳流體對頁巖各項物理力學(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)在頁巖比面積與礦物含量均降低的同時孔隙率提高，且各項力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)均下降，呈現(xiàn)出明顯的強度性質(zhì)弱化。2018年，Dai C等[27]研究了超臨界二氧化碳壓裂液對巖石滲透率的影響及機理，針對不同滲透率的巖樣進(jìn)行了水力壓裂與超臨界二氧化碳壓裂對比試驗，得出了超臨界二氧化碳壓裂液對于高滲透率的巖樣產(chǎn)生更大的滲透破壞，而水則對低滲透率的巖樣產(chǎn)生更大的滲透破壞。

除了上述的壓裂規(guī)律性和SC-CO2與巖石之間發(fā)生的相互作用的實驗性研究之外，還有部分針對SC-CO2壓裂所制備的增粘劑效果的實驗研究。2014年，范志等[28]針對增粘劑(BEA與FA)對SC-CO2粘度的影響進(jìn)行了實驗。2016年，劉真光等[29]對二氧化碳壓裂液的濾失規(guī)律進(jìn)行了研究，分析了注入壓力、壓差、裂縫開啟度等影響參數(shù)變化條件下的壓裂液濾失速率。2018年，Du M等[30]采用以甲苯作為共溶劑、聚二甲基硅氧烷作為增粘劑，測試了增粘后的SC-CO2壓裂液的粘度值，利用分子動力學(xué)模擬研究了該壓裂液體系的溶解度參數(shù)。分子模擬與實驗是設(shè)計并檢驗SC-CO2增粘劑效用的有效手段，為成功設(shè)計出性能優(yōu)良的SC-CO2壓裂液體系有較好的指導(dǎo)作用。

2.3 超臨界二氧化碳壓裂技術(shù)的數(shù)學(xué)模型研究

2015年，郭建春等[31]建立了描述SC-CO2溫度、壓力、相態(tài)與物理性質(zhì)之間相互影響的井筒溫度-壓力耦合模型，對不同注入溫度、注入壓力、注入排量與油管粗糙度所引起的井底參數(shù)的變化進(jìn)行了研究，分析了二氧化碳井底達(dá)到超臨界態(tài)的參數(shù)范圍。同年，孫小輝等[32]構(gòu)建了裂縫溫度場模型，研究了在不同濾失系數(shù)和不同壓裂時間的條件下壓裂裂縫的溫度場變化。井筒內(nèi)以及裂縫內(nèi)溫度場的相關(guān)研究，有利于SC-CO2壓裂時各項施工參數(shù)的選擇，以保證井底及裂縫內(nèi)SC-CO2的超臨界態(tài)。

2015年， 王金堂等[33]采用雙流體模型對SC-CO2攜帶支撐劑的流動情況進(jìn)行了模擬計算，分析了不同流體流速、不同支撐劑濃度、不同溫度及壓力條件下的支撐劑沉降情況。2016年，侯磊等[34]建立了支撐劑在SC-CO2中的跟隨性計算模型，評價了SC-CO2壓裂液的攜砂性能，研究了支撐劑粒徑與密度、SC-CO2的密度與流速等參數(shù)對攜砂能力的影響，并通過跟隨性實驗進(jìn)行了模型檢驗。SC-CO2攜砂流動模型的研究，為獲得優(yōu)良的裂縫填充效果提供了合適的支撐劑參數(shù)和流體參數(shù)選擇范圍，對于研制合適的壓裂液體系提出了設(shè)計需求，有利于壓裂液添加劑以及支撐劑的選擇。

2015年，方長亮等[35]建立了二維平面頁巖裂縫模型，分別以水、滑溜水以及SC-CO2為壓裂液進(jìn)行壓裂模擬，對比了不同壓裂液條件下裂縫的張開和長度。同年，陳立強等[36]建立了適用于SC-CO2壓裂的裂縫起裂壓力預(yù)測模型，進(jìn)行了與水力壓裂、液態(tài)二氧化碳壓裂的對比，其結(jié)果與前人的實驗數(shù)值僅有3%的誤差。SC-CO2壓裂模型的建立，有利于裂縫幾何尺寸和縫網(wǎng)形態(tài)的預(yù)測，對壓裂參數(shù)的選擇提供了參考范圍。

3 超臨界二氧化碳壓裂技術(shù)研究的不足與改進(jìn)

3.1 超臨界二氧化碳壓裂技術(shù)研究的不足

超臨界二氧化碳壓裂技術(shù)因壓裂液的清潔性能和介于氣體、液體之間的特殊性質(zhì)而受益，但同樣因壓裂液產(chǎn)生的井內(nèi)相態(tài)控制問題、低粘度所導(dǎo)致的攜砂問題、穿透性強而產(chǎn)生的設(shè)備研制需求等，是目前SC-CO2壓裂技術(shù)急需解決的研究重點。目前，SC-CO2壓裂技術(shù)的研究存在以下幾點不足。

(1)井內(nèi)二氧化碳的相態(tài)控制。需要建立耦合溫度與壓力影響參數(shù)的井筒內(nèi)流體流動模型，模擬計算井筒內(nèi)的流體溫度-壓力分布情況，控制井內(nèi)流體相態(tài)。

(2)壓裂液體系的研究，主要可以分為壓裂液添加劑的研究與支撐劑的研究。前者前人往往只是針對制得的壓裂液體系的粘度測試進(jìn)行了實驗，但對于新型壓裂液體系用于室內(nèi)壓裂實驗和現(xiàn)場小型壓裂試驗中的測試尚有缺失，且分子模擬作為設(shè)計壓裂液體系的有效手段，在現(xiàn)有的計算方法下未能達(dá)到模擬結(jié)果與實驗的吻合。后者主要針對支撐劑的運移模型進(jìn)行了研究，缺少針對超臨界二氧化碳特殊返排條件下的支撐劑回流模型的研究，且缺少攜砂壓裂實驗以驗證和支持?jǐn)?shù)學(xué)模型的研究成果。

(3)在SC-CO2室內(nèi)壓裂實驗中，總結(jié)得出的起裂壓力、裂縫復(fù)雜度、裂縫粗糙度以及施工參數(shù)的影響等方面的實驗結(jié)果具有一定的規(guī)律性，但缺少SC-CO2壓裂裂縫擴展的機理研究，且未分析對于不同巖石對壓裂液變化的敏感性成因。

(4)缺少SC-CO2壓裂裂縫有效性的相關(guān)研究。SC-CO2壓裂所形成的裂縫較窄，不利于支撐劑的鋪放，需要對裂縫支撐劑填充的有效性進(jìn)行分析。

(5)缺少SC-CO2壓裂技術(shù)對油氣開采增產(chǎn)作用的相關(guān)研究。壓裂技術(shù)的研究，最終目的是作用于后續(xù)的油氣開采工作。油頁巖是一種滲透率與傳熱能力都極低的非常規(guī)油氣藏，SC-CO2壓裂技術(shù)所構(gòu)造的填砂裂縫網(wǎng)絡(luò)是擴大儲層傳熱范圍和油氣滲透能力的手段，需要對SC-CO2壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)對油頁巖儲集層傳熱和滲流能力的改變進(jìn)行研究。

3.2 超臨界二氧化碳壓裂技術(shù)研究改進(jìn)措施

(1)引入粗粒度分子模擬技術(shù)，進(jìn)行SC-CO2增粘劑的優(yōu)化設(shè)計。通過前人研究已知，擁有供電子基團、路易斯堿屬性的聚合物與二氧化碳之間存在特定的相互作用，可用于設(shè)計二氧化碳壓裂液[37]。粗粒度分子模擬技術(shù)可在聚合物分子尺度上進(jìn)行增粘劑與SC-CO2相行為的研究，避免了單一的基團與二氧化碳之間的相互作用等因素而導(dǎo)致的模擬結(jié)果與實際效果不同。采用設(shè)計的增粘劑與合適的助溶劑進(jìn)行實驗，檢測設(shè)計的壓裂液體系的粘度，進(jìn)行室內(nèi)壓裂實驗并將實驗結(jié)果與純SC-CO2壓裂實驗結(jié)果進(jìn)行對比。

(2)建立SC-CO2壓裂復(fù)雜縫網(wǎng)下的支撐劑運移模型，設(shè)計攜砂壓裂實驗。進(jìn)行不同支撐劑濃度、粒徑、攜砂液流速等參數(shù)對支撐劑運移影響的模擬計算研究，分析形成合適的砂堤區(qū)、顆粒滾流區(qū)、懸浮區(qū)和無砂區(qū)范圍的參數(shù)[38]，分析SC-CO2壓裂形成的窄而復(fù)雜的裂縫縫網(wǎng)對形成較好的填砂裂縫所需的支撐劑參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行攜砂壓裂實驗，利用CT掃描技術(shù)觀察裂縫填充情況以及支撐劑參數(shù)與攜砂液排量對裂縫填充的影響，驗證支撐劑運移模型，最終評價SC-CO2壓裂裂縫填充的有效性。

(3)建立油頁巖富含天然裂縫地層中的SC-CO2壓裂裂縫擴展模型。通過設(shè)置不同的裂縫類型、相交角、距離等參數(shù)，研究SC-CO2壓裂裂縫與天然裂縫發(fā)生交匯、穿過等交互現(xiàn)象的規(guī)律，與水力壓裂裂縫擴展模型相對比，分析SC-CO2壓裂溝通天然裂縫的能力，優(yōu)化合理的壓裂參數(shù)選擇范圍。同時，設(shè)計室內(nèi)SC-CO2壓裂實驗驗證模型。

(4)與水基壓裂液相比，SC-CO2雖在裂縫長度、復(fù)雜度和溝通微裂縫上有明顯的優(yōu)勢，但裂縫張開度小，不利于支撐劑的鋪放，影響了有效裂縫長度及導(dǎo)流能力。裂縫網(wǎng)絡(luò)的幾何尺寸以及空間分布是影響油頁巖加熱開采過程中的儲集層溫度場變化的重要因素，將直接影響到開采井的油氣產(chǎn)量。設(shè)計SC-CO2攜砂壓裂后的導(dǎo)流能力實驗，從SC-CO2對油頁巖巖石滲流能力的影響與裂縫充填層導(dǎo)流能力對各項壓裂參數(shù)的敏感性兩方面對SC-CO2壓裂所獲得的油氣流通通道的滲流能力進(jìn)行研究。通過室內(nèi)試驗獲取油頁巖密度、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)，建立SC-CO2壓裂裂縫擴展模型，對比水力壓裂縫網(wǎng)，研究SC-CO2壓裂形成的窄而復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)條件下，油頁巖注熱開采時的儲集層溫度場變化情況，分析裂縫幾何尺寸與空間分布對油氣產(chǎn)量及產(chǎn)油效率的影響。

4 認(rèn)知與結(jié)論

(1)國內(nèi)外大量超臨界二氧化碳壓裂實驗與水力壓裂實驗對比研究證明，超臨界二氧化碳壓裂技術(shù)在降低巖石起裂壓力、提高裂縫網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度等方面具有顯著的優(yōu)越性。我國延長地區(qū)的頁巖氣超臨界二氧化碳壓裂現(xiàn)場試驗的成功，為該技術(shù)的實際應(yīng)用提供了現(xiàn)實依據(jù)。

(2)目前SC-CO2壓裂技術(shù)的研究，已初涉了有利于相態(tài)控制的溫度場模型、有利于支撐劑選擇的壓裂液攜砂流動模型、裂縫起裂和擴展模型、裂縫擴展規(guī)律性實驗等方面的研究，但對于設(shè)計壓裂液體系的分子模擬計算方式、攜砂壓裂室內(nèi)實驗、裂縫擴展機理研究以及SC-CO2壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)條件下的油氣產(chǎn)能等方面的研究尚有欠缺。

(3)提出了引入粗粒度分子模擬技術(shù)優(yōu)化設(shè)計增粘劑、利用SC-CO2壓裂復(fù)雜縫網(wǎng)下的支撐劑運移模型與攜砂壓裂實驗共同評價裂縫填充有效性、建立油頁巖富含天然裂縫地層中的SC-CO2壓裂裂縫擴展模型以研究SC-CO2溝通天然裂縫的能力、SC-CO2壓裂復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)條件下的油頁巖裂縫導(dǎo)流能力研究與注熱開采產(chǎn)能研究，為超臨界二氧化碳壓裂技術(shù)的研究提供了參考幫助。